200keV Xe離子輻照后國產(chǎn)T92鋼微結(jié)構(gòu)變化研究

馮 偉，黃 晨，杜愛兵，李正操

（1.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.清華大學(xué)，北京100084）

鐵素體／馬氏體不銹鋼相對(duì)于奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的抗輻照腫脹性能、高的熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)［1］，被考慮作為國產(chǎn)快堆燃料組件外套管材料研發(fā)方向。目前國外快堆外套管材料已從奧氏體不銹鋼向鐵素體／馬氏體不銹鋼過渡，第一代的鐵素體／馬氏體不銹鋼HT9在快堆中輻照性能表現(xiàn)優(yōu)異，新研發(fā)的第二代鐵素體／馬氏體不銹鋼T91和第三代鐵素體／馬氏體不銹鋼T92輻照性能預(yù)期與HT9類似，甚至可能優(yōu)于HT9，而T92是這三種鐵素體／馬氏體鋼中高溫性能最好的［2］。國產(chǎn)先進(jìn)快堆燃料組件外套管材料首要候選材料定位于T92。

國產(chǎn)T92鋼堆外力學(xué)性能可以滿足快堆外套管材料性能要求，但作為快堆堆芯關(guān)鍵部件用材料，必須對(duì)其在快堆環(huán)境下的使用性能進(jìn)行研究。輻照性能研究正是T92鋼在快堆環(huán)境下使用性能研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

離子輻照模擬相對(duì)于中子輻照具有周期短、效率高、試驗(yàn)方案容易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，從19世紀(jì)60年代起就已經(jīng)作為一種快速篩選方法廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆材料候選材料的輻照性能評(píng)價(jià)［3，4］。本研究采用離子輻照模擬方法以國產(chǎn)T92鋼為研究對(duì)象，經(jīng)200keV的Xe離子輻照，隨后使用透射電鏡考察該能量下不同輻照損傷劑量對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)一步從輻照損傷機(jī)理上進(jìn)行分析和討論。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原材料為寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的T92不銹鋼熱軋管材，熱處理規(guī)范為1 060℃正火＋770℃回火，化學(xué)成分如表1所示。透射電鏡（TEM）樣品按如下步驟制備：從提供的熱軋管材中線切割得到尺寸為10×10×0.5mm3的薄片，400－2 000＃的SiC砂紙機(jī)械減薄塊體至厚度為0.1mm，沖出直徑為3mm的圓片，最后使用電解雙噴儀進(jìn)行電解拋光直至薄片穿孔，拋光液為7%HClO4＋93%CH3COOH，拋光溫度和拋光電壓分別為－30℃和15V。

表1 試驗(yàn)用T92鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical composition of T92steel（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）

Xe離子輻照試驗(yàn)是在清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系LC－16型離子注入機(jī)上進(jìn)行的，輻照參數(shù)：離子加速電壓為200kV，溫度為室溫，真空度為1×10－4Pa，束流密度為1.5μA／cm2。輻照劑量分別為1×1014、5×1014、1×1015和8×1015Xe＋／cm2，根據(jù)蒙特卡羅模擬程序SRIM 2008［5］計(jì)算得出對(duì)應(yīng)在輻照深度方向產(chǎn)生的最大輻照損傷劑量分別為1.4、6.8、13.7、109.5dpa（如圖1所示）。將輻照前后的TEM試樣分別于TEI tecnai G20透射電鏡中進(jìn)行觀察拍照，對(duì)比微觀前后的變化情況，以研究不同輻照損傷劑量對(duì)國產(chǎn)T92鋼微觀結(jié)構(gòu)的影響情況。

圖1 SRIM 2008計(jì)算得出的T92鋼200keV Xe離子輻照損傷Fig.1 The displacement damage profile calculated by SRIM 2008for T92steel irradiated with 200keV Xe ions

2 結(jié)果與討論

圖2是未輻照T92鋼典型的微觀組織結(jié)構(gòu)，其主要包括馬氏體板條結(jié)構(gòu)，碳、氮化合物顆粒和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，分別起到了板條強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化的作用，其中析出強(qiáng)化是最主要的強(qiáng)化方式，這就使得回火板條馬氏體組織的T92鋼兼具熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性。

T92鋼在高溫回火時(shí)鋼中的Cr、V、Nb等碳化物形成元素能與C、N形成碳、氮化合物而以顆粒的形式析出。T92鋼中析出的碳、氮化合物顆粒主要是由位于馬氏體板條界和原奧氏體晶界的 M23C6（M＝ Cr、Fe、Mo）型碳化物及彌散分布于馬氏體板條基體的 MX（M＝Nb、V，X＝C、N）型碳、氮化合物組成。這些顆粒能有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而大大提高了高溫持久強(qiáng)度。M23C6顆粒具有復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)，尺寸約為200nm。MX顆粒也是面心立方結(jié)構(gòu)，多為（V，Nb）C，由于鋼中含有N，N可替代部分C而形成（V，Nb）（C，N），尺寸約為50nm［6］。由于T92鋼中MX顆粒數(shù)量較少，對(duì)高溫下強(qiáng)度保持起主要作用的是M23C6顆粒。作為快堆外套管材料使用時(shí)，除了高溫下M23C6顆粒會(huì)發(fā)生Ostwald熟化外，大劑量的中子輻照還可能會(huì)對(duì)M23C6顆粒的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步影響材料的高溫強(qiáng)度。

圖2 未輻照T92鋼的TEM照片（a）馬氏體板條結(jié)構(gòu)；（b）碳、氮化合物和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)Fig.2 TEM micrograph of unirradiated T92steel（a）martensit lath structure；（b）carbides；nitrides and dislocation network

圖3是輻照前后T92鋼的微觀結(jié)構(gòu)變化，主要是M23C6顆粒的非晶化和黑斑結(jié)構(gòu)（black spots）的出現(xiàn)兩個(gè)方面。

未輻照和輻照至1.4dpa時(shí)（圖3（a）和圖3（b）），M23C6顆粒邊緣非常清晰；損傷劑量達(dá)到6.8dpa（圖3（c））時(shí)，M23C6顆粒邊緣稍顯模糊，圖4是隨著損傷劑量增加打在M23C6顆粒上的選區(qū)電子衍射（SAED）花樣變化，可以看到M23C6顆粒的SAED花樣是附有衍射斑點(diǎn)的彌散的衍射暈環(huán)，且隨著輻照損傷劑量的增加，彌散的衍射暈環(huán)變得更加顯著，可證明M23C6顆粒出現(xiàn)部分的非晶化；且隨著輻照損傷劑量的增加（圖3（c）～ （e）），M23C6顆粒非晶化更加明顯；損傷劑量增加到109.5dpa時(shí)（圖3（e）），M23C6顆粒邊緣幾乎完全非晶化，圖3（f）是以圖3（e）中M23C6顆粒邊緣選區(qū)電子衍射的非晶環(huán)做的暗場(chǎng)像，可進(jìn)一步證明此時(shí)M23C6顆粒邊緣幾乎完全非晶化。

圖3 T92鋼200keV Xe離子輻照引起的微觀結(jié)構(gòu)變化，輻照損傷劑量分別為（a）0dpa（未輻照）；（b）1.4dpa；（c）6.8dpa；（d）13.7dpa；（e）109.5dpa；（f）是（e）的暗場(chǎng)像Fig.3 Microstructural evolution of T92steel induced by 200keV Xe＋ions to a dose of（a）0dpa（unirradiated）；（b）1.4dpa；（c）6.8dpa；（d）13.7dpa；（e）109.5dpa；（f）dark image of（e）

在所有的輻照試樣中沒有發(fā)現(xiàn)輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)和空洞，但是當(dāng)輻照損傷劑量為1.4dpa（圖3（b））和6.8dpa（圖3（c））時(shí)，出現(xiàn)黑斑結(jié)構(gòu)。在更大的輻照損傷劑量13.7dpa（圖 （d））和109.5dpa（圖3（e））下，沒有出現(xiàn)黑斑結(jié)構(gòu)。黑斑結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是空位和間隙原子缺陷團(tuán)簇，由于太小不能從TEM圖像中得到其形態(tài)學(xué)或者結(jié)晶學(xué)特征［7，8］。

圖4 M23C6顆粒SAED花樣隨Xe離子輻照損傷劑量增加的變化（a）0dpa；（b）1.4dpa；（c）13.7dpa；（d）109.5dpaFig.4 SAED patterns of evolution of M23C6with the increase of Xe＋ions irradiation dose（a）0dpa；（b）1.4dpa；（c）13.7dpa；（d）109.5dpa

關(guān)于T92鋼和其他9%～12%Cr鐵素體／馬氏體鋼的 M23C6顆粒離子［9］、質(zhì)子［10］和中子［11］輻照后出現(xiàn)非晶化已經(jīng)有較多的報(bào)道。在本研究中，T92鋼進(jìn)行200keV的Xe離子輻照，隨著輻照損傷劑量的增加，M23C6顆粒非晶化越來越明顯。輻照粒子的轟擊削弱了M23C6顆粒晶格的穩(wěn)定性，晶格塌陷成為非晶狀態(tài)，輻照損傷劑量達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，M23C6顆粒會(huì)出現(xiàn)輻照導(dǎo)致的非晶化（RIA：Radiation Induced Amorphization），且隨著輻照損傷劑量的增加，M23C6顆粒的非晶化越來越明顯。RIA的發(fā)生除了決定于輻照損傷劑量外還取決于輻照溫度。當(dāng)輻照溫度在臨界溫度（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，一般約為250℃）以上時(shí)，輻照導(dǎo)致的再結(jié)晶發(fā)生而RIA不能發(fā)生；在臨界溫度以下時(shí)，輻照導(dǎo)致的再結(jié)晶不能發(fā)生而RIA發(fā)生，M23C6顆粒出現(xiàn)非晶化［12］。在本研究中，輻照是在室溫下進(jìn)行，大劑量、長時(shí)間的離子輻照會(huì)引起試樣的溫升，試樣的實(shí)際溫度會(huì)高于室溫，但是輻照損傷劑量為109.5dpa時(shí)，M23C6顆粒仍然出現(xiàn)非晶化說明此時(shí)試樣的實(shí)際溫度應(yīng)仍低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。

Xe離子輻照產(chǎn)生的原子移位導(dǎo)致空位和間隙原子點(diǎn)缺陷形成，一部分點(diǎn)缺陷被原本存在的缺陷如位錯(cuò)、晶粒邊界和析出相所吸收，一部分通過復(fù)合消失掉，剩下的聚集形成空位和間隙原子缺陷簇。關(guān)于輻照溫度存在兩個(gè)臨界值Tb和Td（Td＞Tb），溫度在臨界值Tb以下時(shí)，點(diǎn)缺陷聚集形成黑斑結(jié)構(gòu)，增大輻照劑量只是簡單地增加黑斑結(jié)構(gòu)的數(shù)量；溫度在臨界值Tb和Td之間，點(diǎn)缺陷活動(dòng)能力較高，既不會(huì)聚集形成較小的缺陷簇（黑斑結(jié)構(gòu)），也不會(huì)聚集形成較大的缺陷團(tuán)（位錯(cuò)環(huán)），而主要是通過復(fù)合消失掉或者被缺陷尾閭吸收；溫度在臨界值Td之上時(shí)，空位和間隙原子簇能夠輕易地移動(dòng)從而聚集，從而形成位錯(cuò)環(huán)和空洞［12，13］。

在本研究中，當(dāng)輻照損傷劑量為1.4dpa和6.8dpa時(shí)，輻照時(shí)間僅約為100s和500s，輻照時(shí)間較短，試樣由于輻照引起的溫升較小試樣仍接近室溫（Tb以下），輻照產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷聚集形成黑斑結(jié)構(gòu)；當(dāng)輻照損傷劑量為13.7dpa和109.5dpa時(shí)，輻照時(shí)間約為1 000s和8 000s，輻照時(shí)間較長，試樣由于輻照引起的溫升較大（溫度在Tb和Td之間），點(diǎn)缺陷活動(dòng)能力較高，主要是通過復(fù)合消失掉或者被缺陷尾閭吸收，但此時(shí)溫度又不足以高至Td之上，故不會(huì)形成位錯(cuò)環(huán)和空洞。由以上的分析可見，臨界值Tb應(yīng)該在室溫以上，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg（約250℃）之下。關(guān)于臨界值Tb和Td的準(zhǔn)確值需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究得出。

3 結(jié)論

采用離子輻照模擬方法對(duì)國產(chǎn)T92鋼進(jìn)行200keV的Xe離子輻照試驗(yàn)，使用透射電鏡研究該能量下不同輻照損傷劑量對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)一步分析和討論，研究的主要結(jié)果如下。

（1）T92鋼典型的微觀組織結(jié)構(gòu)主要包括馬氏體板條結(jié)構(gòu)，碳、氮化合物顆粒和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，其中對(duì)材料高溫下強(qiáng)度保持起主要作用的是數(shù)量較多的M23C6顆粒。

（2）T92鋼中的M23C6顆粒隨著輻照損傷劑量的增加，非晶化越來越明顯，主要是由于輻照粒子的轟擊削弱了M23C6顆粒晶格的穩(wěn)定性，晶格塌陷成為非晶狀態(tài)。

（3）T92鋼在輻照損傷劑量較小（1.4dpa和6.8dpa）時(shí)，出現(xiàn)黑斑結(jié)構(gòu)（空位和間隙原子簇），所有的輻照試樣中沒有發(fā)現(xiàn)輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)和空洞。

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